JP2004521747A - 摩擦撹拌溶接のための改良されたプロセスおよび装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、摩擦撹拌溶接プロセスのための方法を提供し、それは、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具(20)によって溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでいる。工具は、溶接ラインに沿って進められる。その方法は、そのうえに、レーザービーム(28)を発生するステップと、回転工具の前方の溶接領域(29)における加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている。本発明は、さらに、摩擦撹拌溶接のための装置を提供し、その装置は、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具(20)と、その工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、加工品に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムと、加工品をクランプで締めるメカニズムとを含んでいる。その装置は、さらに、レーザービーム発生器(25)と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管(26)と、コリメーター(28)と、加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦撹拌溶接として公知である溶接プロセスの改良されたプロセスに関する。
【背景技術】
【0002】
摩擦撹拌溶接は、接合される部品が、摩擦によって発生される熱によって、それらの接触表面で、そして、それらの接触表面付近で、可塑化される溶接プロセスである。接合される前記部品は、下文で、“加工品”と呼ばれている。このプロセスの代表的な形態において(Wayne Thomas(ウエイントーマス)他による“Friction Stir−Where We Are and Where We are Going”.,TWI Bulletin, Vol.39,May/June 1998(1998年、5月/6月、39巻、TWI会報の“摩擦撹拌−Where We Are and Where We are Going”を参照))、摩擦は、突合せ溶接領域を可塑化するために、加工品と回転工具(加工品よりも硬い材料の)との間に生成される。一般に、工具は、大きな直径の肩部と、小さな直径の特殊形状の工具(下文で“探針”と呼ばれている)とで形成され、その探針は、接合領域に入れられて、回転されるのに対して、加工品の方に下方にそれを押しつけるために、圧力が、前記肩部に用いられる。摩擦撹拌溶接プロセスは、WO 93/10935において開示されている。
【0003】
そのプロセスの変更態様は、WO 99/39861に記述され、そして、工具の肩部の真下の溶接材料の制限された容量に制御された加熱を与え、そして、それを可塑化するために、回転工具の前の熱源として可動誘導コイルを利用することにある。この方法において、回転探針の主な機能は、予熱された材料の流動パターンを制御することと、溶接された部材から導入される外側被膜を粉砕することとであるということが言われている。
【0004】
摩擦撹拌溶接プロセスの前記変更態様は、とはいえ、十分に満足するものではない。誘導コイルを通流する電流によって影響を及ぼされるすべての伝導性材料が、加熱され、例を挙げると、締め付け装置や、工具の探針をも含み、それは、大いに望ましくないことである。誘導電流は、溶接の通路全体に流れ、そして、火花を形成させることがある。誘導コイルによる発熱は、いうまでもなく、伝導する材料だけに加えられ、たとえば、プラスチック、あるいは、セラミックスには加えられない。実際に、摩擦撹拌溶接の現在のテクノロジーは、その形態すべてにおいて、それが他のメタルおよび、さらに、プラスチック、媒体、低い融点セラミックスなどの非金属物質に適しているが、現在、主に、アルミニウムおよびアルミニウム合金に適用されている。
【特許文献1】国際公開第WO 93/10935号公報
【特許文献2】国際公開第WO 99/39861号公報
【非特許文献1】Wayne Thomas(ウエイントーマス)他による“Friction Stir−Where We Are and Where We are Going”.,TWI Bulletin, Vol.39,May/June 1998(1998年、5月/6月、39巻
【非特許文献2】TWI会報の“摩擦撹拌−Where We Are and Where We are Going”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
それゆえ、本発明の目的は、周知の撹拌溶接プロセスおよび装置の欠点のない摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【0006】
別の目的は、接合される部品が、すべての物質に適用可能である手段によって加熱される摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【0007】
さらなる目的は、発熱の位置および加工品に達する電力の量の両方が、示され、そして、予め定められるように、精密で、そして、局部的な方法で、熱が、加工品に加えられる摩擦撹拌溶接プロセスおよび方法を提供することである。
【0008】
さらに、別の目的は、高い融解温度の物質を首尾よく溶接することを可能とする摩擦撹拌溶接装置および方法を提供することである。
【0009】
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のプロセスは、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具によって、溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでおり、前記工具は、溶接ラインに沿って進められ。そして、そのうえに、レーザービームを発生するステップと、回転工具の前方の溶接領域における加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている。
【0011】
【0012】
レーザービームは、加工品の所望の温度に達するに十分な力を生成することができるあらゆるレーザーシステムによって発生されることができる。レーザービームは、光ファイバケーブルによる、あるいは、他の光学手段による光線を平行にして、集束する要素に導かれる。
【0013】
レーザービームによって加熱される加工品の温度は、たとえば、熱電対、あるいは、赤外線温度測定カメラなどのあらゆる従来の温度測定装置によってオンラインでモニタされる。レーザーエネルギーおよび加熱時間の関数として加工品の温度の予備的な較正は、別の方法として、その温度を推論するのに使用されることができる。
【0014】
本発明は、さらに、摩擦撹拌溶接のための装置を含んでおり、その装置は、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具と、それを回転して、進めるメカニズムと、加工品に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムとを含んでいる。本発明の好ましい実施例において、工具を保持して、回転し、そして、加工品の方に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムだけではなく加工品をクランプで締め、そして、それらを工具に対して進めるメカニズムが、単一の機械にすべて包含されている。
【0015】
本発明は、さらに、レーザービーム発生器と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管と、コリメーターと、加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている。さらに、加工品を加熱するためにあらゆる集束光学機器がなくても光ファイバケーブルを使用することができる。本発明の他の実施例において、当業者には周知の従来のレーザービームステアリング光学機器が、加工品の所望の領域にビームを導くことができるファイバ光学機器の代わりに使用されている。
【0016】
レーザービーム発生器は、市販で入手できる固体、液体、あるいは、ガス体のレーザーの中から選択される。光学コンポーネントは、レンズを平行にする単一の要素と、レンズを集束する単一の要素とを備えていることが好ましいが、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの光線平行作成および集束システムでよい。さらにまた、その装置は、回転工具が溶接通路に沿って進行するとき、レーザービームを加工品の所望の領域に集束させるために、コリメーターおよび集束光学機器および/または光ファイバ導管および/またはレーザー発生器を回転および/または移動するメカニズムを備えている。そのようなメカニズムは、オペレータによって手動で作動されることが可能であると同時に、それは、回転工具の移動の機能としてコントローラによって作動されることも可能であり、この場合、そのコントローラは、本発明の装置の一部分である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1(ESAB SuperStir−Friction Stir Welding System,Esab Welding Equipment AB,Laxa, Sweden(スウェーデンLaxaにあるEsab Welding Equipment ABのESABスーパー撹拌−摩擦撹拌溶接システム)を記述するカタログから引用される内容)は、従来の摩擦撹拌溶接の先行技術の装置を概略的に例示している。符号10、11は、溶接により接合される加工品の2つの部分を示している。符号12は、回転工具の上方部分を示し、それは、図外の手段によって、加工品に押しつけられる広い肩部13を有している。矢印14は、その工具の回転を示している。矢印16は、溶接ラインに沿う工具の直線的動きの方向を示し、そして、矢印17は、加工物に工具を押しつける力を示している。領域18は、溶接領域である。
【0018】
回転工具の最低部分を構成し、そして、溶接される材料に挿入される探針19は、見えないので、それは、図1において符号で示されているにすぎない。図2Aおよび図2Bは、そのような探針の2つを例示している。図2Bおよび図2Cには、それらの上方部分に、工具の概略側面図が含まれていて、肩部は、符号13により、そして、探針は、符号19により示されている。各図の下方部分は、探針の概略断面であり、その形状を示している。図2Bおよび図2Cの内容は、Wayne Thomas(ウエイントーマス)他の引用技術から引用されている。これらは、その先行技術中に存在するいくつかの特殊で、複雑で、そして、比較的費用のかかる探針の2つにすぎない。対照的に、図2Aは、以下の例で記述される溶接を行うのに使用される工具を概略的に示している。この探針は、単に、直径がほぼ10mm−15mmで、溶接される材料の厚さに適した長さの円筒状ピンである。代表的な非制限的な寸法は、図中に示されている。
【0019】
図3は、本発明の実施例を概略的に例示している。全体として、20で示されている工具は、従来のものであり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべてである。21は、その回転を示し、そして、矢印22は、溶接ラインに沿うその移動方向を示している。23は、溶接の上方表面である。24は、工具の最低部分を構成する探針を符号で示している。本発明による、つまり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべての代表的な探針は、図2A乃至図2Cに例示されている。
【0020】
符号25は、レーザービーム発生器に接続される光ファイバケーブルである。レーザービーム発生器は、従来のものであるから、図示されていない。符号26は、コリメーターを概略的に示し、そして、符号27は、集束光学機器を概略的に示している。符号28は、回転工具の前の領域29に集束されるビームを概略的に示している。通常、レーザービームは、探針の前において加工表面にほぼ5mm当たり、加工品の局部的な融解を防止し、そして、溶接ゾーン全体に比較的均一な予熱をもたらすために、焦点から少し外れるように調整される。そのスポットをシフトすることによって、溶接される加工品が、融解温度において比較的大きな差異を有する場合、異なる加熱が、その2つの部品に印加される。時には、集束光学機器は、底部から加工品を、そして一方、上端側から工具一式を加熱するために、レーザービームを使用するように構成される。さらに加えて、吸収性コーティングが、時には、レーザーエネルギーの吸収を増大させるために溶接の領域に施される。
【0021】
図4は、本発明によるレーザーおよび光学システムを概略的に表わしている。図に示されている要素のすべては、多くの供給源から市販で入手できる。以下に記述される例を行うのに使用される要素は、U.S. Laser Corporation,Wyckoff,NJ.U.S.A.(アメリカ合衆国ニュージャージー州ウィコクのU.S.レーザーコーポレーション)により供給された。これは、20kWの最大入力電力を必要とし、そして、1064nmの波長で、最大700ワットの常時出力電力を供給する水冷式Nd:YAGレーザーである。
【0022】
符号32は、レーザービームの発散を制限し、そして、それをファイバ光学入力カップラにマッチさせるのに必要なアップコリメーターである。符号33は、ビーム余剰電力メータであり、そして、符号34は、ファイバ光学入力カップラである。その入力カップラは、37.5mmの多要素結合レンズだけでなくレンズとケーブルとのためのサポートおよび調節要素を備えている。符号35は、5メートルの長さの従来の800ミクロンコアステップインデックス光ファイバ(ケーブルは、いうまでもなく、レーザーから溶接探針への間隔により、異なる長さでよい)である。符号36は、出力カップラ37へのファイバ光学ケーブルの結合を表わしている。その出力カップラは、直径が30mmの2つの単一要素レンズを含んでいる。第1のレンズは、60mm焦点距離の平行光線作成レンズであり、そして、第2のレンズは、75mm焦点距離の対物レンズである。符号38は、加工表面に方向付けられる集束されたビームである。
【0023】
オペレーションにおいて、レーザーアセンブリは、加工表面近くのテーブルに取り付けられている。たとえば、図2Aに示されているタイプの工具は、従来のフライス盤の工具ホルダーに取り付けられており、そして、接合される部品(たとえば、突合せ溶接されるMgメタルの2つのプレート)は、フライス盤のテーブルの上に並行してクランプで締められ、そのために、工具は、移動テーブルが、回転工具に対して加工品を運ぶとき溶接される継目の上に配置されたままであり、そして、摩擦撹拌溶接が行われる。
【0024】
本発明の方法において、レーザーの出力カップラは、フライス盤の工具ホルダーハウジングに取り付けれ、そして、焦点スポットから少し外れてレーザーエネルギーが、溶接される2つの部品の間の継目に向くように整列されている。そのスポットは、それが、工具の探針の直径(10mm−15mm)とほぼ等しい直径を有し、そして、探針の前方ほぼ5mmに向くように調整される。
【0025】
本発明のプロセスにおいて、その継目は、第一に、レーザーによって予熱される。そのメタルが、適切な温度に加熱されるとき、工具は、回転し始め、そして、その継目に入れられる。同時に、フライス盤のテーブルが、移動し始め、そして、摩擦の熱が、摩擦撹拌溶接を行うのに必要な条件を提供するために、レーザーによって供給される熱に加えられる。
【0026】
1つのテストにおいて、レーザーは、2つのMgプレート間の継目を300℃−320℃に予熱するように使用された。工具が、回転を開始し、継目に入れられた後、その温度は、400℃−420℃に上昇し、その温度で、溶接が行われた。この実施例は、先行技術を超える本発明の主な利点の1つを立証している。本発明の方法において、溶接に必要な温度に達するために必要とされる熱エネルギーの約35%だけが、回転工具によって供給されている。この結果の1つは、加工品を固定するのに必要とされる力が、すっと小さく、クランプで締める必要条件を簡約する。
【0027】
次の実施例は、いずれの方法においてもそれを制限することのない本発明を例示している:
4mmの厚さの2つのMg AZ91合金プレートが、従来の3HP Pinnacle Turret Vertical Milling Machine(3HP Pinnacle Turret垂直フライス盤)のテーブルにクランプで締められた。その部品は、23mmの4つのボルトで、従来の締め付けジグを使用してテーブルにクランプで締め付けられた。9mmの直径、4mmの長さのピン(図2Aに概略的に示されているタイプの)を有するまっすぐな20mmの直径の高速スチール製円筒状探針は、フライス盤のスピンドル上の工具ホルダーに挿入された。そのスピンドルの回転速度は、約1700rpmであった。
【0028】
使用されるレーザーおよび光学システムは、上記に記述され、そして、図4に概略的にに例示されているものであった。そのレーザービームは、5mの長さの800μコアステップインデックスファイバ光学ケーブルを用いて、溶接テーブルに透過された。そのビームは、回転する探針の前方に10mmのスポットを形成するように、焦点が外された。レーザーの力は、約200Wに設定された。サンプル温度が、約320℃に達するとき、回転する探針は、2つのプレート間の継目に入れら、そして、フライス盤のテーブルは、約50mm/分の速度で進められた。発熱効果により、材料への探針の貫通とテーブルに対するスピンドルの動きの両方に対する抵抗は、ごくわずかであった。
【0029】
図5乃至図7は、写真の複写である。図5は、レーザー支援摩擦撹拌溶接(LAFSW)によって接合される2つのMg.AZ91プレートの全体図である。実施例において、部分貫通溶接が得られた。図6は、図5の溶接を示す断面図である。図7は、図6の矢印によって表示されている領域における溶接のミクロ構造を示している。それらのプレートは、目視可能なゆがみなく溶接され、そして、欠点は、溶接部のミクロ構造には検知されなかった。
【0030】
本発明の実施例は、例として示されたのであり、本発明は、その精神から逸脱することなく、あるいは、特許請求項の範囲を越えることなく、多数の修正、変更および改作が行われるということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】先行技術による従来の摩擦撹拌溶接装置の概略図である。
【図2A】本発明に使用されている探針の概略図である。
【図2B】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図2C】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図3】本発明による装置の実施例の概略図である。
【図4】本発明によるレーザーおよび光学システムの実施例の概略図である。
【図5】LAFSWによって接合される2つのMgAZ91プレートを示している写真の複写である。
【図6】図5のプレートの断面を示している写真の複写である。
【図7】図6の溶接部のミクロ構造を示している写真の複写である。
【0001】
本発明は、摩擦撹拌溶接として公知である溶接プロセスの改良されたプロセスに関する。
【背景技術】
【0002】
摩擦撹拌溶接は、接合される部品が、摩擦によって発生される熱によって、それらの接触表面で、そして、それらの接触表面付近で、可塑化される溶接プロセスである。接合される前記部品は、下文で、“加工品”と呼ばれている。このプロセスの代表的な形態において(Wayne Thomas(ウエイントーマス)他による“Friction Stir−Where We Are and Where We are Going”.,TWI Bulletin, Vol.39,May/June 1998(1998年、5月/6月、39巻、TWI会報の“摩擦撹拌−Where We Are and Where We are Going”を参照))、摩擦は、突合せ溶接領域を可塑化するために、加工品と回転工具(加工品よりも硬い材料の)との間に生成される。一般に、工具は、大きな直径の肩部と、小さな直径の特殊形状の工具(下文で“探針”と呼ばれている)とで形成され、その探針は、接合領域に入れられて、回転されるのに対して、加工品の方に下方にそれを押しつけるために、圧力が、前記肩部に用いられる。摩擦撹拌溶接プロセスは、WO 93/10935において開示されている。
【0003】
そのプロセスの変更態様は、WO 99/39861に記述され、そして、工具の肩部の真下の溶接材料の制限された容量に制御された加熱を与え、そして、それを可塑化するために、回転工具の前の熱源として可動誘導コイルを利用することにある。この方法において、回転探針の主な機能は、予熱された材料の流動パターンを制御することと、溶接された部材から導入される外側被膜を粉砕することとであるということが言われている。
【0004】
摩擦撹拌溶接プロセスの前記変更態様は、とはいえ、十分に満足するものではない。誘導コイルを通流する電流によって影響を及ぼされるすべての伝導性材料が、加熱され、例を挙げると、締め付け装置や、工具の探針をも含み、それは、大いに望ましくないことである。誘導電流は、溶接の通路全体に流れ、そして、火花を形成させることがある。誘導コイルによる発熱は、いうまでもなく、伝導する材料だけに加えられ、たとえば、プラスチック、あるいは、セラミックスには加えられない。実際に、摩擦撹拌溶接の現在のテクノロジーは、その形態すべてにおいて、それが他のメタルおよび、さらに、プラスチック、媒体、低い融点セラミックスなどの非金属物質に適しているが、現在、主に、アルミニウムおよびアルミニウム合金に適用されている。
【特許文献1】国際公開第WO 93/10935号公報
【特許文献2】国際公開第WO 99/39861号公報
【非特許文献1】Wayne Thomas(ウエイントーマス)他による“Friction Stir−Where We Are and Where We are Going”.,TWI Bulletin, Vol.39,May/June 1998(1998年、5月/6月、39巻
【非特許文献2】TWI会報の“摩擦撹拌−Where We Are and Where We are Going”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
それゆえ、本発明の目的は、周知の撹拌溶接プロセスおよび装置の欠点のない摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【0006】
別の目的は、接合される部品が、すべての物質に適用可能である手段によって加熱される摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【0007】
さらなる目的は、発熱の位置および加工品に達する電力の量の両方が、示され、そして、予め定められるように、精密で、そして、局部的な方法で、熱が、加工品に加えられる摩擦撹拌溶接プロセスおよび方法を提供することである。
【0008】
さらに、別の目的は、高い融解温度の物質を首尾よく溶接することを可能とする摩擦撹拌溶接装置および方法を提供することである。
【0009】
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のプロセスは、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具によって、溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでおり、前記工具は、溶接ラインに沿って進められ。そして、そのうえに、レーザービームを発生するステップと、回転工具の前方の溶接領域における加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている。
【0011】
【0012】
レーザービームは、加工品の所望の温度に達するに十分な力を生成することができるあらゆるレーザーシステムによって発生されることができる。レーザービームは、光ファイバケーブルによる、あるいは、他の光学手段による光線を平行にして、集束する要素に導かれる。
【0013】
レーザービームによって加熱される加工品の温度は、たとえば、熱電対、あるいは、赤外線温度測定カメラなどのあらゆる従来の温度測定装置によってオンラインでモニタされる。レーザーエネルギーおよび加熱時間の関数として加工品の温度の予備的な較正は、別の方法として、その温度を推論するのに使用されることができる。
【0014】
本発明は、さらに、摩擦撹拌溶接のための装置を含んでおり、その装置は、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具と、それを回転して、進めるメカニズムと、加工品に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムとを含んでいる。本発明の好ましい実施例において、工具を保持して、回転し、そして、加工品の方に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムだけではなく加工品をクランプで締め、そして、それらを工具に対して進めるメカニズムが、単一の機械にすべて包含されている。
【0015】
本発明は、さらに、レーザービーム発生器と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管と、コリメーターと、加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている。さらに、加工品を加熱するためにあらゆる集束光学機器がなくても光ファイバケーブルを使用することができる。本発明の他の実施例において、当業者には周知の従来のレーザービームステアリング光学機器が、加工品の所望の領域にビームを導くことができるファイバ光学機器の代わりに使用されている。
【0016】
レーザービーム発生器は、市販で入手できる固体、液体、あるいは、ガス体のレーザーの中から選択される。光学コンポーネントは、レンズを平行にする単一の要素と、レンズを集束する単一の要素とを備えていることが好ましいが、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの光線平行作成および集束システムでよい。さらにまた、その装置は、回転工具が溶接通路に沿って進行するとき、レーザービームを加工品の所望の領域に集束させるために、コリメーターおよび集束光学機器および/または光ファイバ導管および/またはレーザー発生器を回転および/または移動するメカニズムを備えている。そのようなメカニズムは、オペレータによって手動で作動されることが可能であると同時に、それは、回転工具の移動の機能としてコントローラによって作動されることも可能であり、この場合、そのコントローラは、本発明の装置の一部分である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1(ESAB SuperStir−Friction Stir Welding System,Esab Welding Equipment AB,Laxa, Sweden(スウェーデンLaxaにあるEsab Welding Equipment ABのESABスーパー撹拌−摩擦撹拌溶接システム)を記述するカタログから引用される内容)は、従来の摩擦撹拌溶接の先行技術の装置を概略的に例示している。符号10、11は、溶接により接合される加工品の2つの部分を示している。符号12は、回転工具の上方部分を示し、それは、図外の手段によって、加工品に押しつけられる広い肩部13を有している。矢印14は、その工具の回転を示している。矢印16は、溶接ラインに沿う工具の直線的動きの方向を示し、そして、矢印17は、加工物に工具を押しつける力を示している。領域18は、溶接領域である。
【0018】
回転工具の最低部分を構成し、そして、溶接される材料に挿入される探針19は、見えないので、それは、図1において符号で示されているにすぎない。図2Aおよび図2Bは、そのような探針の2つを例示している。図2Bおよび図2Cには、それらの上方部分に、工具の概略側面図が含まれていて、肩部は、符号13により、そして、探針は、符号19により示されている。各図の下方部分は、探針の概略断面であり、その形状を示している。図2Bおよび図2Cの内容は、Wayne Thomas(ウエイントーマス)他の引用技術から引用されている。これらは、その先行技術中に存在するいくつかの特殊で、複雑で、そして、比較的費用のかかる探針の2つにすぎない。対照的に、図2Aは、以下の例で記述される溶接を行うのに使用される工具を概略的に示している。この探針は、単に、直径がほぼ10mm−15mmで、溶接される材料の厚さに適した長さの円筒状ピンである。代表的な非制限的な寸法は、図中に示されている。
【0019】
図3は、本発明の実施例を概略的に例示している。全体として、20で示されている工具は、従来のものであり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべてである。21は、その回転を示し、そして、矢印22は、溶接ラインに沿うその移動方向を示している。23は、溶接の上方表面である。24は、工具の最低部分を構成する探針を符号で示している。本発明による、つまり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべての代表的な探針は、図2A乃至図2Cに例示されている。
【0020】
符号25は、レーザービーム発生器に接続される光ファイバケーブルである。レーザービーム発生器は、従来のものであるから、図示されていない。符号26は、コリメーターを概略的に示し、そして、符号27は、集束光学機器を概略的に示している。符号28は、回転工具の前の領域29に集束されるビームを概略的に示している。通常、レーザービームは、探針の前において加工表面にほぼ5mm当たり、加工品の局部的な融解を防止し、そして、溶接ゾーン全体に比較的均一な予熱をもたらすために、焦点から少し外れるように調整される。そのスポットをシフトすることによって、溶接される加工品が、融解温度において比較的大きな差異を有する場合、異なる加熱が、その2つの部品に印加される。時には、集束光学機器は、底部から加工品を、そして一方、上端側から工具一式を加熱するために、レーザービームを使用するように構成される。さらに加えて、吸収性コーティングが、時には、レーザーエネルギーの吸収を増大させるために溶接の領域に施される。
【0021】
図4は、本発明によるレーザーおよび光学システムを概略的に表わしている。図に示されている要素のすべては、多くの供給源から市販で入手できる。以下に記述される例を行うのに使用される要素は、U.S. Laser Corporation,Wyckoff,NJ.U.S.A.(アメリカ合衆国ニュージャージー州ウィコクのU.S.レーザーコーポレーション)により供給された。これは、20kWの最大入力電力を必要とし、そして、1064nmの波長で、最大700ワットの常時出力電力を供給する水冷式Nd:YAGレーザーである。
【0022】
符号32は、レーザービームの発散を制限し、そして、それをファイバ光学入力カップラにマッチさせるのに必要なアップコリメーターである。符号33は、ビーム余剰電力メータであり、そして、符号34は、ファイバ光学入力カップラである。その入力カップラは、37.5mmの多要素結合レンズだけでなくレンズとケーブルとのためのサポートおよび調節要素を備えている。符号35は、5メートルの長さの従来の800ミクロンコアステップインデックス光ファイバ(ケーブルは、いうまでもなく、レーザーから溶接探針への間隔により、異なる長さでよい)である。符号36は、出力カップラ37へのファイバ光学ケーブルの結合を表わしている。その出力カップラは、直径が30mmの2つの単一要素レンズを含んでいる。第1のレンズは、60mm焦点距離の平行光線作成レンズであり、そして、第2のレンズは、75mm焦点距離の対物レンズである。符号38は、加工表面に方向付けられる集束されたビームである。
【0023】
オペレーションにおいて、レーザーアセンブリは、加工表面近くのテーブルに取り付けられている。たとえば、図2Aに示されているタイプの工具は、従来のフライス盤の工具ホルダーに取り付けられており、そして、接合される部品(たとえば、突合せ溶接されるMgメタルの2つのプレート)は、フライス盤のテーブルの上に並行してクランプで締められ、そのために、工具は、移動テーブルが、回転工具に対して加工品を運ぶとき溶接される継目の上に配置されたままであり、そして、摩擦撹拌溶接が行われる。
【0024】
本発明の方法において、レーザーの出力カップラは、フライス盤の工具ホルダーハウジングに取り付けれ、そして、焦点スポットから少し外れてレーザーエネルギーが、溶接される2つの部品の間の継目に向くように整列されている。そのスポットは、それが、工具の探針の直径(10mm−15mm)とほぼ等しい直径を有し、そして、探針の前方ほぼ5mmに向くように調整される。
【0025】
本発明のプロセスにおいて、その継目は、第一に、レーザーによって予熱される。そのメタルが、適切な温度に加熱されるとき、工具は、回転し始め、そして、その継目に入れられる。同時に、フライス盤のテーブルが、移動し始め、そして、摩擦の熱が、摩擦撹拌溶接を行うのに必要な条件を提供するために、レーザーによって供給される熱に加えられる。
【0026】
1つのテストにおいて、レーザーは、2つのMgプレート間の継目を300℃−320℃に予熱するように使用された。工具が、回転を開始し、継目に入れられた後、その温度は、400℃−420℃に上昇し、その温度で、溶接が行われた。この実施例は、先行技術を超える本発明の主な利点の1つを立証している。本発明の方法において、溶接に必要な温度に達するために必要とされる熱エネルギーの約35%だけが、回転工具によって供給されている。この結果の1つは、加工品を固定するのに必要とされる力が、すっと小さく、クランプで締める必要条件を簡約する。
【0027】
次の実施例は、いずれの方法においてもそれを制限することのない本発明を例示している:
4mmの厚さの2つのMg AZ91合金プレートが、従来の3HP Pinnacle Turret Vertical Milling Machine(3HP Pinnacle Turret垂直フライス盤)のテーブルにクランプで締められた。その部品は、23mmの4つのボルトで、従来の締め付けジグを使用してテーブルにクランプで締め付けられた。9mmの直径、4mmの長さのピン(図2Aに概略的に示されているタイプの)を有するまっすぐな20mmの直径の高速スチール製円筒状探針は、フライス盤のスピンドル上の工具ホルダーに挿入された。そのスピンドルの回転速度は、約1700rpmであった。
【0028】
使用されるレーザーおよび光学システムは、上記に記述され、そして、図4に概略的にに例示されているものであった。そのレーザービームは、5mの長さの800μコアステップインデックスファイバ光学ケーブルを用いて、溶接テーブルに透過された。そのビームは、回転する探針の前方に10mmのスポットを形成するように、焦点が外された。レーザーの力は、約200Wに設定された。サンプル温度が、約320℃に達するとき、回転する探針は、2つのプレート間の継目に入れら、そして、フライス盤のテーブルは、約50mm/分の速度で進められた。発熱効果により、材料への探針の貫通とテーブルに対するスピンドルの動きの両方に対する抵抗は、ごくわずかであった。
【0029】
図5乃至図7は、写真の複写である。図5は、レーザー支援摩擦撹拌溶接(LAFSW)によって接合される2つのMg.AZ91プレートの全体図である。実施例において、部分貫通溶接が得られた。図6は、図5の溶接を示す断面図である。図7は、図6の矢印によって表示されている領域における溶接のミクロ構造を示している。それらのプレートは、目視可能なゆがみなく溶接され、そして、欠点は、溶接部のミクロ構造には検知されなかった。
【0030】
本発明の実施例は、例として示されたのであり、本発明は、その精神から逸脱することなく、あるいは、特許請求項の範囲を越えることなく、多数の修正、変更および改作が行われるということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】先行技術による従来の摩擦撹拌溶接装置の概略図である。
【図2A】本発明に使用されている探針の概略図である。
【図2B】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図2C】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図3】本発明による装置の実施例の概略図である。
【図4】本発明によるレーザーおよび光学システムの実施例の概略図である。
【図5】LAFSWによって接合される2つのMgAZ91プレートを示している写真の複写である。
【図6】図5のプレートの断面を示している写真の複写である。
【図7】図6の溶接部のミクロ構造を示している写真の複写である。
Claims (14)
- 摩擦撹拌溶接プロセスであって、前記プロセスが、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具によって、溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでおり、前記工具が、溶接ラインに沿って進められ、そして、そのうえに、レーザービームを発生するステップと、前記回転工具の前方の前記溶接領域における前記加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている、摩擦撹拌溶接プロセス。
- 前記レーザービームによって印加される力が、前記加工品を0.4TmとTmとの間に含まれる温度に導くようなものであり、Tmは、前記加工品のKelvin(ケルヴィン)度におけるの融解温度である請求項1に記載の摩擦撹拌溶接プロセス。
- 摩擦撹拌溶接のための装置であって、前記装置が、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具と、前記工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、前記加工品に下方に前記工具の肩部を押しつけるメカニズムと、前記加工品をクランプで締めるメカニズムとを含み、そして、さらに、レーザービーム発生器と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管と、コリメーターと、前記加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている、摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記レーザービーム発生器が、前記加工品の所望の温度に達するのに十分な力を生成することができる固体、液体、あるいは、ガス体のレーザーの中から選択される、請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記レーザービーム発生器が、水冷式Nd:YAGレーザーである請求項4に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 単一部分からなり、比較的費用のかからない機械が、前記加工品をクランプで締めるメカニズムと、前記工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、前記加工品に下方に前記工具の肩部を押しつけるメカニズムとを備えている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 単一部分からなり、比較的費用のかからない機械が、従来のフライス盤である請求項6に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記レーザービーム導管が、従来のレーザービームステアリング光学機器から構成されている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記レーザービーム導管が、光ファイバから構成されている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記コリメーターが、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの平行光線作成システム、好ましくは、レンズを平行にする単一の要素を備えている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 前記集束光学機器が、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの集束するシステム、好ましくは、レンズを集束する単一の要素を備えている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- 集束する手段が、前記光ファイバから前記加工品の所望の領域の方に出て行く前記レーザービームを集束するのに使用されない請求項9に記載の摩擦拡販溶接のための装置。
- 吸収性コーティングが、レーザーエネルギーの吸収を増大さするために、前記溶接の領域に施される請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
- さらに、前記回転工具が前記溶接通路に沿って進行するとき、前記レーザービームを前記加工品の所望の領域に集束させるために、前記コリメーターおよび集束光学機器および/または前記光ファイバ導管および/または前記レーザー発生器を回転および/または移動するメカニズムを備えている請求項3に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
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